VII. Hewan dan Lingkungannya
Gusti Rusmayadi
PS. Agronomi – BDP – Faperta Unlam
Topik
1. Konsep Neraca energi.
2. Fluks energi Radiasi untuk Hewan
3. Metabolisme.
4. Pertukaran Bahang Laten.
5. Konduksi Bahang dalam Kulit dan Jaringan
Hewan.
6. Penerapan Persamaan Neraca Radiasi.
7. Ruang Iklim.
8. Suhu Benda Hitam yang Setara.
• ? Daya tahan tubuh;
– Pemeliharaan
tubuh pada
keadaan stabil;
produksi kalor
metabolik.
– Berapa banyak
penyediaan bahan
makanan untuk
mempertahankan
suhu badan.
•?
Kesesuaian
lingkungan
fisik bagi
daya tahan
tubuh hewan.
1.1. Konsep Neraca Energi
Li Loe
M,q λE
G
Sp
Sd
1.1. Konsep Neraca Energi
• Neraca energi satu satuan luas pada permukaan hewan yang menghadap atmosfer adalah jumlah dari pemasukan bahang dan kehilangannya;
• asSi + aLLi – Loe + M – λE – H – q – G = 0 – as dan aL adalah koefisien penyerapan gelombang
pendek dan gelombang panjang,
– Si dan Li adalah radiasi gelombang pendek dan panjang,
– M adalah bahang metabolik per satuan luas permukaan kulit,
– λE adalah kehilangan bahang laten melalui penguapan air dari kelenjar respirasi dan kulit hewan,
– G adalah kehilangan bahang melalui konduksi, dan
– q adalah laju penyimpanan bahang pada hewan
• Pada kondisi mantap (steady state), dengan laju penyimpanan bahang, q = 0, maka terjadi keseimbangan kehilangan dan pemasukan bahang. Asumsi G = 0.
• Loe= εσT4
• H = ρcp (Ts – Ta)/rHa
• Berhubungan dengan suhu permukaan tubuh hewan
Implikasi persamaan neraca energi
•Menentukan kebutuhan makanan untuk iklim
tertentu, atau
•Iklim yang diperlukan untuk jumlah
penyediaan makanan dan aktivitas tertentu.
Suhu permukaan hewan mungkin lebih tinggi atau
rendah dari yang diperlukan untuk hidup hewan.
Apabila suhu badan dan tingkat metabolisme
ditentukan, berarti menyatakan lingkungan apa yang
diterima.
1.2. Fluks Energi untuk Hewan
Li = εiσTi4
Ti = suhu dinding pemancar radiasi
εi = koefisien pemancaran (emisivitas) dinding
Dinding lebih luas dari hewan εi 1
Contoh 1.2.1
• Dinding kandang mempunyai suhu permukaan sebesar 20ºC. Berapakah pancaran radiasi yang ditimbulkan oleh dinding ?
• Jawab;
• Li = εiσTi4; εi = 0,9; σ = 5,67 x 10-8 Wm-2);
Ti = K, = (20 + 273) K = 293 K
• Li = 0,9 x 5,67 x 10-8 Wm-2 x (293)4 K
• Li = 376 Wm-2
Kuantifikasi pemasukan radiasi
gelombang pendek
• Kuantifikasi pemasukan radiasi gelombang pendek untuk hewan dilakukan dengan proyeksi di hewan tegak lurus terhadap berkas radiasi matahari (Sp).
• Radiasi gelombang pendek datang rata-rata adalah perbandingan antara luas terproyeksi dengan luas keseluruhan dikalikan dengan radiasi yang datang tegak lurus berkas radiasi (Sp).
A Sp
Ap
• Perbandingan antara luasan yang
terproyeksi dan seluruh luasan adalah;
• (Ap/A) = πr2/4πr2 = 1/4
– r adalah jari-jari bola
• Rata-rata radiasi yang datang;
• Sid = Sp x (Ap/A)
• Sid = 0,25 Sp
Gambar 1. Perbandingan luas bayangan pada permukaan yang tegak lurus
berkas radiasi matahari terhadap keseluruhan luas untuk tiga
bentuk yang dapat digunakan hewan. Sudut θ adalah sudut
antara berkas radiasi matahari dan sumbu benda.
Tab
el 1
. K
oef
isie
n p
eny
erap
an r
adia
si m
atah
ari
dan
ko
efis
ien p
eman
aran
per
mu
kaa
n t
ub
uh
hew
an
1.3. Metabolisme
• Tingkat metabolisme terendah (dalam Watt) dapat diperkirakan untuk berbagai jenis hewan dengan persamaan;
Bm = C m3/4
m adalah massa hewan (kg) dan C adalah tetapan dengan nilai 3 – 5 untuk homoetherm dan sekitar 5 untuk poikiolotherm pada suhu 20ºC.
Luas permukaan (A=m2) dan massa (kg),
A = 0,1 m2/3
Gambar 2. Hubungan antara massa tubuh dan kecepatan metabolisme
dasar poikilotherm pada suhu 20ºC, kecepatan metabolisme
dasar homeotherm pada 39ºC, dan kecepatan metabolisme
aerobik maksimum.
• Tingkat metabolisme dasar per satuan luas
permukaan menjadi;
– Mb = (Bm/A)
– hasil pengamatan nilai Mb berkisar antara 30
sampai 50 W/m2.
• Laju metabolisme meningkat dengan
aktivitas hewan. Hal ini dapat dihitung
dengan dua cara;
1. Asumsi efisiensi perubahan energi kimia
menjadi energi kerja adalah 30%, maka setiap
satuan kerja yang dilakukan akan dihasilkan
sekitar dua satuan kalor.
2. Metabolisme aerobik tertinggi pada hewan
adalah sekitar 10 kali laju metabolisme
terendah atau dasar.
• Apabila aktivitas hewan dapat ditaksir
dalam persen terhadap maksimumnya, maka
laju metabolisme diduga dari:
– M = Mb (1 + 9α/αM)
– α adalah aktivitas hewan, dan
– αM adalah aktivaitas maksimum yang dapat
dilakukan. Apabila Mb 50 W/m2, M akan
bervariasi antara 50 dan 500 W/m2.
1.4. Pertukaran Bahang Laten
• Kehilangan bahang laten
melalui respirasi adalah
bagian yang tetap dari
produksi bahang
metabolisme, karena
kenaikan produksi bahang
metabolik menyebabkan
kenaikan konsumsi
oksigen, yang
meningkatkan kecepatan
pernapasan.
• Perbandingan antara penguapan respirasi
terhadap produksi metabolisme diperoleh,
• λER/M = (ρve – ρvi)λ /(ρoi - ρoe)Г
– ρv adalah kerapatan uap di udara,
– ρo adalah kerapatan oksigen di udara,
– i adalah pada fluks nafas masuk, e adalah
konsentrasi fluks nafas ke luar,
– Г adalah bahang yang dihasilkan untuk setiap
kilogram oksigen yang dikonsumsi.
Contoh 1.4.1
• Misalkan λ = 2,4 MJ/kg, Г = 15 MJ/kg, ρve = 44 g/m3, ρvi = 7 g/m3, ρoi = 280 g/m3, dan ρoe = 210 g/m3 (menurut reduksi konsentrasi oksigen dari prosentase volume dari 21% menjadi 16%).
• λER/M = (ρve – ρvi)λ /(ρoi - ρoe)Г
• λER/M = {(44 – 7) g/m3 x 2,4 MJ/kg}/
{(280 – 210) g/m3 x 15 MJ/kg
• λER/M = 0,08
• Beberapa hewan
dengan
pembuluh nafas
yang kecil akan
menghembuskan
udara pada suhu
di bawah suhu
badan
Gambar 3. Suhu udara hembusan nafas
sebagai fungsi suhu udara,
beberapa spesies.
• Kehilangan air melalui kulit hewan dihitung
dari,
• Es = (ρ’vs – ρva)/rvs + rvc + rva
– Rvs, rvc, dan rva, hambatan terhadap difusi uap
melalui, mantel (coat) dan lapisan batas, dan
– ρ’vs adalah kerapatan uap jenuh pada suhu kulit.
• Hewan berkulit lembap (cacing, siput,
amphibi) rvs = rve = 0, dan
• hambatan yang mengontrol kehilangan air
adalah hambatan lapisan batas.
Tabel 2. Hambatan kulit terhadap difusi uap pada
hewan (tidak pada keadaan tegangan suhu)
Contoh 1.4.2. Hambatan difusi
• Hambatan difusi kulit berperan untuk pendugaan neraca energi dan neraca air pada hewan.
• Diketahui ρva = 7 g/m3, ρ’vs= 44 g/m3 dan rvs= 13000 s/m.
• Es = (ρ’vs – ρva)/rvs + rvc + rva
• λEs = λ(ρ’vs – ρva)/rvs + rvc + rva
• λEs = {2430 Jg-1(44 - 7) g m-3}/13000 s m-1
• λEs = 6,9 W/m2
1.5. Konduksi bahang dalam Kulit dan
Jaringan Hewan
Ali
ran b
ahan
g
Aliran uap air Aliran bahan
Ts - Ta
H = ρcp ────
rH
Contoh 1.5.1. hambatan bahang
• Hambatan bahang lapisan kapas setebal 1
cm.
• Difusivitas bahang, DH=k/ρcp.
• k (konduktivitas benda) kapas = 0,059 Wm-
1K-1.
• DH=k/ρcp= 0,059Wm-1K-1/1200 Jm-3K-1
= 4,9 x 10-5 m2/s.
• rH = l/DH= 10-2m/4,9 x 10-5 m2/s = 204 s/m
Contoh 1.5.1. hambatan bahang
• Hambatan bahang udara setebal 1 cm.
• Difusivitas bahang, DH=k/ρcp.
• k (konduktivitas benda) udara = 0,0258 Wm-1K-1.
• DH=k/ρcp= 0,0258Wm-1K-1/1200 Jm-3K-1
= 2,15 x 10-5 m2/s.
• rH = l/DH= 10-2m/2,15 x 10-5 m2/s = 465 s/m
• Jadi, kapas hanya (204 s/m)/(465 s/m) x 100% =
44% mampu mengurangi kehilangan bahang
dibandingkan udara.
• Rata-rata hambatan mantel menurun menurut akar kecepatan angin;
• rHc = rºHc - b√u
rºHc adalah hambatan jika tidak ada angin, dan
b adalah penurunan setiap satuan perubahan √u.
– Nilai b tergantung dari penembusan dan pengaruh angin terhadap ketebalan mantel.
– Nilai b pada burung layang-layang dan kelinci sekitar 50.
Gambar 1.4. Hambatan bahang mantel hewan yang diukur
pada beberapa potong kulit dan kulit berbulu.
Hewan
Hambatan
penyempitan
pembuluh (s/m)
Hambatan
pengembangan
pembuluh (s/m)
Steer 170 50
Calf 110 50
Pig (3 bulan) 100 60
Down sheep 90 30
Man 90 15
Tabel 3. Hambatan thermal jaringan sekeliling hewan
1.6. Penerapan Persamaan Neraca Radiasi
• Persamaan neraca energi;
– asSi + aLLi – Loe + M – λE – H – q – G = 0
• Perpindahan bahang dari dalam tubuh hewan ke permukaan dapat dinyatakan sbb;
ρcp (Tb – Ts)
M – λE = –––––––––– rHb
Tb adalah suhu dalam tubuh hewan, Ts adalah suhu permukaan, dan
rHb adalah rata-rata hambatan perpindahan bahang mantel dan jaringan.
rHb(M – λE) Ts = –––––––––
ρcp
• Asumsi q – G = 0
• asSi + aLLi – Loe + M – λE – H = 0
• as (Ap/A) Sp + asŚd + aLĹi –εσT4s + M – λE
– {ρcp (Tb – Ts)}/rHa = 0
• Rabs –εσT4s + M – λE – {ρcp (Tb – Ts)}/rHa
+ {rHb(M – λE)}/re = 0
• Rabs = as (Ap/A) Sp + asŚd + aLĹi
• 1/re = 1/re + 1/rHa
1.7. Ruang Iklim
Gambar 1.5. Diagram iklim untuk “masked shrew”
(Sorex cinereus).
• Asumsi-asumsi hewan ‘Shrew’;
– Kecepatan angin 0,1 dan 1 m/s
– Suhu tubuh dipilih untuk dua garis 41 dan 37,5ºC.
– Hambatan tubuh ‘Shrew’ diambil 300 s/m pada Tb =
37,5º.
– 3 garis lainnya adalah;
• Garis benda hitam adalah rongga benda hitam seperti lubang di
tanah, Rabs= εσT4a
• Garis malam hari cerah adalah lingkungan energi radiasi
terkecil, Rabs malam = εsσT4s.
• Garis sinar matahari cerah menunjukkan energi maksimum
pada keadaan langit cerah, Rabs siang = Rabs malam + as (Ap/A)
Sp + asŚd
Gambar 1.6. Diagram iklim untuk iguana padang pasir
untuk angin 0,3 m/s.
1.8. Suhu Benda Hitam, Yang Setara
• Lingkungan
bersuhu tinggi
dengan pemasukan
energi radiasi kecil,
atau
• Lingkungan
bersuhu rendah
dengan energi
radiasi tinggi.
• Te = suhu hewan
dalam rongga atau
ruang benda hitam
Neraca energi hewan
ρcp (Tb – Te)
──────── = M – λE
rHb + re
• kehilangan bahang terasa dan energi radiasi
dari hewan dalam rongga atau ruang benda
hitam dengan suhu Te.
• rHB adalah hambatan pertukaran bahang
total, dan
• re adalah hambatan paralel rHa dan rr.
nilai Te
re (Rabs – εσT4) • Te = Ta + ───────── ρcp
• Apabila Rabs = εσT4
a, maka Te = Ta • Contoh; • Carilah suhu ruang (Te) yang sebanding
dengan suhu di luar 30ºC untuk manusia yang menggunakan mantel warna gelap pada radiasi matahari penuh dan kecepatan angin 1 m/s. Sudut θ = 60º
• Penyelesaian nilai Te
• Sudut θ = 60º. Gunakan Gambar 1, maka Ap/A = 0,26.
• Mantel berwarna gelap, α = 0,8 ε = 1, Sp = 1000 W/m2, asŚd = 250 W/m2, maka
• Rabs = as (Ap/A) Sp + asŚd + aLĹi
= 0,8 (0,26 x 1000 + 250) + 0,94 x 479 = 858 W/m2.
• Dimensi untuk manusia, d = 0,17 m, maka;
• rHa= 0,7 x 307 (d/u)1/2 = 215(0,17/1)1/2= 89 s/m
• rr = (ρcp/ 4εσT3a) = 1200/6,3 = 190 s/m
• re = rHarr/rHa + rr = (89x190)/(89+190) = 60 s/m
• Te= 30 + 60(858 – 479)/1200 = 49ºC
• Apa yang anda lakukan pada lingkungan bersuhu 49ºC.
• Apabila kecepatan angin meningkat menjadi 3 m/s, berapakan Te ?
Pendugaan kebutuhan makanan dengan persamaan
neraca energi
• Seekor kelinci seberat 1,5 kg dalam lingkungan dengan Te =0ºC. Asumsikan Te = Ta, u = 1 m/s dan d = 10 cm. λE/M=0,2 dan Tb = 37ºC.
• Penyelesaian;
• rHa = 68 s/m, rr = 261 s/m, re = 54 s/m.
• Gambar 4; rHb = 1000 s/m untuk kelinci. ρcp (Tb – Te) ──────── = M – λE rHb + re
• 1200(37 – 0)/(1000+ 54) = M – 0,2M
• 53 W/m2
• A = 0,1 m2/3 = 0,1 x 1,52/3 = 0,13 m2
• Energi yang diperlukan kelinci adalah, 0,13 x 53 = 6,9 W.
• Untuk kandungan kalori glukosa 15,7 MJ/kg, maka satu kilogram glukosa aka dihabiskan dalam 15,7 x 106/6,8 = 2,3 x 106 s, atau setara dengan 27 hari.
• Bagaimana dengan bahan rumput kering ?
Latihan
1. Buatkan diagram iklim untuk sejenis hewan!
2. Berapa banyak makanan yang diperlukan
caribou seberat 500 kg dalam kg/hari untuk
bertahan pada musim dingin Artic dengan rata-
rata Ta = 20ºC ? Anggap u = 3 m/s.
3. Berapakah suhu kesetaraan (equivalent
temperature) untuk orang yang berjemur di sinar
matahari di pantai pada siang hari cerah, dengan
Ta = 30ºC, u = 2 m/s, as = 0,7 ?
Top Related